Ett schematiskt diagram över en miniatyriserad kompakt kvantkrets med aktiv och noggrann manipulation i LiNbO3 -vågledare. (A) HOM -buntande effekt av oskiljbara fotoner i en stråldelare (BS). (B) Scheman av ett typiskt HOM -experiment med användning av bulkoptiska komponenter. Alla funktioner i den gula rutan är integrerade i chipet. (C) Schema för det integrerade kvantoptiska chipet med monolitiskt integrerad PDC -källa (parametrisk nedkonvertering), elektrooptiska polarisationsomvandlare (datorer), polarisationsstråldelare (PBS), och stråldelare (BS). De grå linjerna betecknar de Ti-indifferenta vågledarna. I det periodiskt polerade PDC -avsnittet ortogonalt polariserade fotonpar (H och V) genereras. I den efterföljande PC0, den fullständiga konverteringen ändrar polarisationstillståndet för båda fotonerna från horisontellt (H) till vertikalt (V) och vice versa genom att applicera styrspänningarna U0. Dessa fotoner separeras rumsligt av PBS. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aat1451
Fysiker föreställer sig att framtiden för kvantberäkningsnät kommer att innehålla skalbara, monolitiska kretsar, som inkluderar avancerade funktioner på ett enda fysiskt substrat. Även om det redan har gjorts betydande framsteg för en mängd olika applikationer på olika plattformar, utbudet av olika fotoniska tillstånd som kan manipuleras på begäran på ett enda chip förblir begränsat. Detta observeras specifikt för dynamisk tidshantering i kvantanordningar.
I en färsk studie, nu publicerad i Vetenskapliga framsteg , Kai-Hong Luo och medarbetare demonstrerar en elektrooptisk enhet, som inkluderade dynamiska funktioner för fotonpargenerering, utbredning och elektro-optisk sökväg. Enheten innehöll spänningsreglerbar tidsfördröjning som approximerade upp till 12 pikosekunder på en enda Ti:LiNbO 3 (titanindifferent litiumniobat) vågledarchip.
Som princip-bevis, fysikerna vid den tvärvetenskapliga fysiska institutionen, optoelektronik och fotonik visade att Hong-Ou-Mandel störde med en synlighet på mer än 93 ± 1,8 procent. Chippet som utvecklats av Luo et al. i studien tillät avsiktlig manipulation av fotoniska tillstånd genom att rotera polarisationen. Experiment visade att fysikerna kunde anstränga sig fullt ut, flexibel styrning av enkel-qubit-operationer genom att utnyttja den fulla potentialen av snabb elektronisk optisk modulering på chip.
Under det senaste decenniet har en rad material har använts för att utveckla optiska kretsar för kvantportar, kvantinterferens, kvantmetrologi, bosonprovtagning och kvantpromenader. Dessa kretsar utvecklades på material inklusive glas, kiselnitrid, kisel på isolatorn och kiseldioxid på kisel. I jämförelse, utvecklingen av integrerade fotoniska enheter baserade på andra ordningens olineariteter har varit långsam, trots effektiviteten att utnyttja X (2) olineariteter. Även med framgång med avstämningsbara kopplingar och spänningsstyrda fasskiftare, hela potentialen för snabb aktiv elektrooptisk routing och rotation av polariserade fotoner i kvantkretsar återstår att utnyttja.
Schematisk illustration av HOM -grupperingseffekten av oskiljbara fotoner i en strålesplitter. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aat1451
Syftet med Luo et al. skulle demonstrera avsiktlig manipulation av fotoniska tillstånd via exakt polarisering och tidsreglering på en enda kvantkretsanordning. För detta, de fokuserade på Hong-Ou-Mandel (HOM) störningar, bland de mest grundläggande icke -klassiska experimenten inom kvantoptik. HOM är kärnan i många kvantlogikoperationer som bosonprovtagning, Bell-state-mätning för kvantupprepare och Knill, Laflamme och Milburn -protokoll för kvantberäkning. Ändå, en praktisk metod har ännu inte tagits fram på ett integrerat chip för att innehålla alla funktioner, och med förmågan att manipulera kvanttillstånd på begäran i det fullständiga HOM -experimentet.
I föreliggande studie, Luo et al. erbjöd en integrerad elektrooptisk kretsdesign som kunde realisera flera operationer på en enda Ti:LiNbO 3 vågledarchip. Den integrerade verksamheten omfattade:
För alla kvantlogikoperationer, tidsmässig synkronisering av ett manipulerat tillstånd är ett grundläggande krav. Som ett resultat, snabba och elektrooptiskt kontrollerbara tidsfördröjningar på chip är viktiga inkluderingar för alla kvantapplikationer.
Övre panel:Schematisk illustration av det integrerade kvantoptiska chipet med monolitiska inneslutningar av en PDC -källa (20,7 mm), elektrooptiska datorer (7,62 mm), PBS, markerad med grönt (4,0 mm), BS markerad med blått, och ett enda element i de segmenterade omvandlarna (PC1 till PC10; 2,54 mm vardera). Nedre panelen:Klassisk karakterisering av den integrerade kretsen. A) Normaliserad effekt av den andra harmoniska (SH) vågen genererad i PDC -sektionen med en polningsperiod på ΔPDC =9,04 µm som en funktion av den grundläggande våglängden, som är från en avstämbar telelaser med smal bandbredd. (B) Spektrala överföringsegenskaper för PC0 och de olika trippelkombinationerna för den segmenterade PC:n (med en polningsperiod på ΔPC =21,4 µm). Forskarna erhöll kurvorna genom att lansera bredbandssammanhängande ljus i telekomområdet och mäta den okonverterade effekten bakom en polarisator. Kurvorna normaliseras till ett referensöverföringsspektrum erhållet utan konvertering. (C) Temperaturberoende för de två fasmatchningsprocesserna (PDC och PC). Korsning av de två kurvorna bestämmer den optimala driftpunkten, som är vid T =43,6 ° C och λ =1551,7 nm. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aat1451
HOM -effekten kan produceras experimentellt av en stråldelare (BS). Under effekten, två identiska fotoner som kommer in i en stråldelare från motsatta ingångsportar samlas och lämnar vid samma utgångsport. För att demonstrera denna kvanteffekt i ett optiskt HOM -experiment, fysikerna genererade fotonpar (signal- och tomgångsfoton), och separerade dem sedan rumligt med en polarisationsstråldelare (PBS). Efter polarisationsrotation och införande av en variabel tidsfördröjning mellan fotonerna, de rekombinerades vid en symmetrisk stråldelare (BS) där kvantinterferens ägde rum. För monolitisk kretstillverkning, fysikerna använde Ti:LiNbO 3 plattform, som utnyttjade det starka X (2) olinearitet under fotonpargenerering och elektrooptisk manipulation av qubiterna.
Luo et al. introducerade sedan begreppet dubbelbrytande elektro-optisk fördröjning (BED) för att övervinna en inneboende dubbelbrytande (dubbel brytning av ljus) fördröjning i det olinjära mediet. Metoden utnyttjade den elektro-optiska polariseringskonvertering och dubbelbrytning av själva materialet för att möjliggöra exakt tidsreglering på chip.
Den komplexa kretsdesignen innehöll flera olika komponenter som redan var optimerade som enskilda enheter, forskarna tillverkade vågledarna av Ti indiffusion för guidning i ett läge i båda polarisationerna. Viktigt, i den monolitiska elektro-optiska anordningen på chip, den relativa fördröjningen mellan signalen och tomgångsfoton kräver justering via den segmenterade polarisationsregulatorn. Ett annat viktigt kriterium var hela enhetens längd, som måste hållas så kort som möjligt för att tillverka homogena strukturer.
Illustration av principen för den justerbara BED -linjen. (A) Diagrammet visar chipdesignen tillsammans med några inlägg som illustrerar tidsrelationen mellan de horisontellt (röda) och vertikalt (blå) polariserade fotonvågpaketen vid olika positioner i strukturen och för olika konfigurationer av datorerna. Fall I:Om PC0 är avstängd, då ökar den tidsmässiga avstängningen längs strukturen. Tidsfördröjningen mellan de två fotonerna kan varieras, beroende på vilket element i den segmenterade omvandlaren är påslagen; dock, de två fotonerna kommer aldrig fram samtidigt till BS (HOM -effekten observeras inte experimentellt). Fall II:Om PC0 är påslagen, då kan den ursprungligen horisontellt polariserade fotonen köra om den andra fotonen innan de kommer till den segmenterade datorn. En samtidig ankomst av de två fotonerna till BS kan uppnås om ett visst element i den segmenterade datorn adresseras för att uppfylla HOM -effekten. (B) Beräknad tidsfördröjning för fotonerna vid BS som en funktion av elementet i den segmenterade PC:n, vid vilken den sista bytet av polarisationen utförs. Diagrammet visar resultatet för de två fallen av PC0 på och av. Den prickade linjen indikerar tidssynkroniseringen mellan de två polariserade fotonerna. Parametrarna som används för beräkningarna är anpassade till den tillverkade enhetens geometri - längder på PDC -sektionen (20,7 mm), PC0 (7,62 mm), PBS -sektionen (4,0 mm), och ett enda element i de segmenterade omvandlarna (2,54 mm). En gruppindexskillnad ngng =0,0805 härleds från Sellmeier -ekvationerna för LiNbO3 (λ =1551,7 nm). Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aat1451
Forskarna genererade fotonpar i avsnittet parametrisk nedkonvertering (PDC) (en olinjär omedelbar optisk process som omvandlade en foton med högre energi till ett par fotoner), som innehöll den Ti-indiffuerade vågledaren med enkla lägen. För HOM -chipet var det viktigt för de genererade fotonparen att degenereras. Degenerationspunkten kan justeras genom att variera temperaturen, med ungefärlig inställningslutning - 0,15 nm/ 0 C. Anordningen innehöll en speciellt utformad riktningskopplare för att fungera som en polarisationsstråldelare (PBS) för att rumsligt separera de ortogonalt polariserade fotonerna.
Nyckelelement i BED -systemet som utvecklats av Luo et al. inkluderade elektrooptiska polarisationsomvandlare (datorer). Dessa omvandlare innehöll en periodiskt polerad vågledare, med elektroder på varje sida. I den illustrerade kretsdesignen för det integrerade kvantoptiska chipet, fysikerna placerade den första datorn (PC 0 ) direkt bakom PDC -sektionen. Detta följdes av en segmenterad PC 10 (PC 1 till PC 10 ; som innehåller 10 elektrooptiska element) i en gren, efter polarisationsstråldelaren (PBS). Stråldelaren (BS), innehöll två vågledare separerade med ett 6 µm brett gap.
Experimentell installation och kvantresultat. (A) Experimentell inställning för kvantkarakterisering av det aktiva HOM -chipet. En avstämbar smalbands kontinuerlig vågspumplaser runt 776 nm kopplas in i kanalen med PDC-källan. För att undvika högre ordning av fotonpar, pumpeffekten hålls inom intervallet 100 µW. En temperaturregulator kontrollerar och stabiliserar den tidigare bestämda temperaturfördelningen för provet. De två utgångsportarna från chipet är direkt kopplade till ett par enkelmodiga fibrer via fiberoptiska isolatorer för att undertrycka kvarvarande pumpljus och ett 1,2 nm bandpassfilter för att undertrycka bakgrundsfoton, de överförda fotonerna detekteras med supraledande nanotrådsdetektorer (SNSPD) och time-to-digital converter (TDC). B) Experimentella och simulerade resultat av den normaliserade sammanfallshastigheten som en funktion av vilken trippel av den segmenterade PC:n drivs. De blå data och kurvan är för PC0 avstängd, medan de röda data och kurvan är för PC0 på. I experimentet, endast sju tripplar av den segmenterade PC:n kunde adresseras eftersom elektroden på PC10 var trasig. Därför, endast 14 olika förseningar var möjliga. (C) Experimentella och simulerade profiler för HOM -dipen härledda från sammanfallsresultaten som visas i (B) och motsvarande beräknade tidsfördröjning. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aat1451
Forskarna illustrerade arbetsprincipen för det justerbara BED -systemet för att visa hur den beräknade gruppindexskillnaden ∆n g orsakade en tidsavbrott mellan ett par fotoner. Beroende på av/på -status för PC 0 , Polarisationstillstånden (horisontella eller vertikala) för fotonparet förblir antingen oförändrade eller bytas till rumsligt separerade vid PBS för att demonstrera HOM -effekten.
När PC 0 var påslagen, polariseringar av fotonparet byttes ut för att samtidigt komma fram till den segmenterade PC:n (med 10 elektrooptiska segment:PC 1 till PC 10 ). Forskarna visade hur simultan ankomst av två fotoner till stråldelaren (BS) experimentellt kunde uppnås. Luo et al. visade också att den relativa tidsfördröjningen mellan de två fotonerna vid stråldelarens ingångar kunde finjusteras mellan ~ 1,3 ps till mer än 12 ps för dynamisk tidshantering på enheten.
Forskarna implementerade den föreslagna mätinställningen av hela kvantexperimentet i labbet genom att inkludera en extern pump, fiberfilter och detektionsenheter. För att bekräfta att tvåfotoninterferens av studien är i kvantregimen för två helt identiska fotoner, sammanräkningstalen (som används för att testa kvantinvikling) mellan de två vågledarutgångarna som detekteras bör sjunka till noll. Dessutom, för att bevisa kvantinterferens, nedgången (nedgången) av tillfälligheter bör ha en synlighet utöver det klassiskt förväntade värdet på 50 procent. Luo et al. beräknade synligheten för HOM -störningen vid 93,5 ± 1,8 procent, ett värde som är betydligt högre än den klassiska gränsen, verifiera kvantkaraktären hos on-chip-tvåfotonstörningar.
På det här sättet, fysikerna demonstrerade rikligt en kvantelektrooptisk krets som aktivt kunde manipulera fotontillstånd för justerbar tidshantering inom en monolitiskt integrerad enhet. De använde ett två-foton HOM-chip med en källa till fotonpar för aktiv polarisationsmanipulation. Arbetet skapar ett nytt tillvägagångssätt för integrerade elektrooptiska kretsar och öppnar en dörr för att utnyttja den enorma potentialen för qubit-manipulation i Ti:LiNbO 3, för kvantapplikationer. Enheten banar väg mot framtida kvantlogikoperationer, hyperentanglement och ultrasnabb bearbetning med fiberoptik, men används sällan i kvantoptik.
© 2019 Science X Network
